JPH09117164A - 複数の超小型構造層から製作された機械構造及び製造方法 - Google Patents

複数の超小型構造層から製作された機械構造及び製造方法

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JPH09117164A
JPH09117164A JP8198777A JP19877796A JPH09117164A JP H09117164 A JPH09117164 A JP H09117164A JP 8198777 A JP8198777 A JP 8198777A JP 19877796 A JP19877796 A JP 19877796A JP H09117164 A JPH09117164 A JP H09117164A
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロマシン技術で実施されるよりもかな
り大きい、有用な仕事が可能な機械及び製造方法を提供
する。 【解決手段】 互いに積層された複数のマイクロマシン
層をそれぞれ含む機械構造、ならびにその製作方法を提
示する。各機械構造は、スタックを含む複数のマイクロ
マシン層のうちの少なくとも１つの層の超小型構造から
画定された可動部材を含む。製作の際には、ＶＬＳＩ技
術を使用してマイクロマシン層を別々に形成し、その後
でスタックの形で選択された配列で互いに積層して機械
構造を画定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般には機械構造
の製作に関し、具体的には別々に形成され、その後で、
機械を形成するように選択されたスタック配列で積層さ
れた複数層の超小型構造を含む機械の製作に係わる。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】マイクロマシン技術は
急速に発展し続けているが、そのような機械は実際には
一般にマイクロセンサとしてのみ使用されてきた。たと
えば、機械的振動を検知して加速度を設定するシリコン
・マイクロセンサ・チップがあり、圧力を測定するシリ
コン・ダイアフラム圧力センサと呼ばれるマイクロセン
サもある。材料のイオン濃度、誘電特性、有機体蒸気濃
度、気体濃度などを検知する化学センサもシリコン基板
上に製作されている。
【０００３】ダイアフラム及びマイクロブリッジなどの
大部分の超小型構造は、比較的動かせない要素または部
材を有する構造であった。しかし、最近、可動部材を有
するマイクロアクチュエータの製作までマイクロマシン
技術が広がっている。たとえば、両者とも「Electrosta
tic Micromotor」という名称である米国特許第４９４３
７５０号及び第４９９７５２１号を参照されたい。
【０００４】基本シリコン技術を使用して、機械として
形成された多くの可動マイクロ物体をシリコン基板上に
製作することができる。これらのマイクロマシンは、従
来の大規模集積（ＬＳＩ）処理または超大規模集積（Ｖ
ＬＳＩ）処理を用いて、単一の基板上に画定された超小
型構造で構成される。残念ながら、既存のマイクロマシ
ンの重大な欠点は、それらの素子がそれほど小型ではな
く、実用的用途がほとんどないことである。たとえば、
１マイクロメータ×０．１マイクロメータの静電モータ
は、恐らく他のマイクロマシン・ギヤ以外は何も駆動す
ることができない。
【０００５】したがって、本発明は、マイクロマシン技
術の実用化を追求する既存のマイクロマシン技術の新規
の拡大である。本発明の目的は、マイクロマシン技術を
用いて製作されるが、マイクロマシン技術で実施される
よりもかなり大きい、有用な仕事が可能な機械を提供す
ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】要約すると、本発明は主
要な態様では、積層された複数の層で形成されたスタッ
ク構造を含む機械を開示する。このスタック構造は、ス
タック内の複数の層を含む層のうちの少なくとも１つの
層の超小型構造から画定された可動部材を含む。具体的
な例として、この機械は、固定子構造と、固定子を基準
にして固定子に接触せずに動くように配置された回転子
構造とを含むスタックを備えた静電モータを含むことが
できる。回転子構造は、スタックを含む複数の層内の少
なくとも１つのマイクロマシン層の超小型構造から画定
される。
【０００７】他の態様では、本発明は、複数の基板を設
けるステップと、少なくとも１つの穴が少なくとも１つ
の基板内に構造を画定する、少なくとも１枚の基板内に
少なくとも１つの穴を形成するステップと、少なくとも
１つの穴の少なくとも一部に犠牲材料を充填して、少な
くとも１つの穴によって分離されている選択された構造
を一時的に互いに固定するステップと、複数の基板を選
択された配列で積み重ねてスタック構造を形成するステ
ップと、前記穴によって基板内に画定された構造が前記
スタック構造内に可動部材を含むようにして少なくとも
１つの穴から犠牲材料を除去し、それによって機械を形
成するステップとを含む機械製作方法を含む。
【０００８】他の態様では、穴が、選択された配列で基
板を積み重ねたときに機械を製作する基板内の超小型構
造を画定し、少なくとも２枚の基板のそれぞれの基板内
に少なくとも１つの穴を形成するステップと、基板内の
穴のうちの少なくともいくつかに犠牲材料を充填して穴
によって分離されている選択された超小型構造を一時的
に互いに固定するステップと、基板を選択された配列で
積み重ねてスタックを形成するステップと、基板内の穴
から犠牲材料を除去するステップとを含み、スタックを
形成する少なくとも２枚の基板の積み重ねられた超小型
構造によってスタック内に可動部材が画定され、それに
よって機械を形成する、機械製作方法を開示する。
【０００９】本明細書では、静電機械、特に静電モータ
を参照しながら説明するが、当業者なら、提示されてい
る概念が１つまたは複数の可動部材を有する多種多様な
機械の製作にも等しく適用可能であるものと理解されよ
う。概念的には、本発明は、一連のマスクを使用して、
後で選択された配列で組み立てられる基板またはウエハ
上に層またはスライスを画定して、機械を含むスタック
を形成する。スタックが形成されるまで、犠牲層によっ
て可動部材を層内で一時的に保持する。機械をスタック
として製作することによって、マイクロメータからミリ
メータ、センチメータまでの寸法を持つ機械を実現する
ことができる。本質的には、提示されている概念によっ
て、マクロ（センチメータ）の大きさの機械とミクロの
大きさの機械の間の既存の間隙を満たす大きさの機械を
製作することが可能である。
【００１０】さらに、本明細書で提示されている技法を
使用して、多様な機械を構築することができる。たとえ
ば、スタックの個々の層がそれぞれ異なるマイクロマシ
ン構造を含むことができる。または、同じ構造を含む場
合には、それらの構造を異なる大きさまたは形状あるい
はその両方とすることができる。たとえば、本明細書で
提示されている層化手法を使用して、西洋梨形の回転子
を放射状に構想し、構築することができる。本明細書の
基本概念を用いて行えることにはほとんど制限がない。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１及び図２に、基板１２内に部
分的に画定されたマイクロマシン層（一般的に１０で示
す）の１つの実施例を示す。層１０は、第１のマスク１
３（点線で図示されている）を使用してパターン形成さ
れた、基板１２内の穴または溝１４によって画定されて
いる。マイクロマシン層は、固定子構造１６と回転子構
造１８を含む。この実施例では、マスク１３は基板内
に、ハブ２２を画定する第２の穴２０も形成する。最終
的に固定子構造１６に当技術分野で周知の方式で適切な
電位を加えると、このハブを中心にして回転子構造１８
が回転する。したがって、マイクロマシン層１０は静電
マイクロモータを含む。静電マイクロモータは超大規模
集積（ＶＬＳＩ）技法を使用して画定されることが好ま
しい。穴１４及び２０によって画定された基板構造（１
６、１８、２０）を、本明細書ではマイクロマシン層１
０内の「超小型構造」と呼ぶ。また、この実施例ではマ
イクロマシン内で回転子１８のみが可動部材を構成する
ことになることにも留意されたい。
【００１２】一例として、基板１２は、方向性ウェット
・エッチングを用いて穴を形成することができるように
結晶学的に配向されたシリコン基板またはシリコン・ウ
エハを含むことができる。穴１４及び２０は、基板１２
の少なくとも半分まで通るように時間エッチングされる
ことが好ましい。したがって、所望の深さを実現するよ
うにウェット・エッチングすることが必要である。シリ
コンのウェット・エッチングは当技術分野で周知であ
る。たとえば、「Accelerated Etching of Silicon in
Anisotropic Ethylene Diamine−Water-Pyrazine-Pyroc
athecol Bath」、IBMテクニカル・ディスクロージャ・
ブルテン（Vol.31, No. 7, 1988年12月）に記載されて
いるその一形態を参照されたい。
【００１３】本発明によると、次に犠牲層２４（図３）
を基板１２の上面１５の上に共形に付着させ、穴１４及
び２０が上面１５と交わるようにする。穴を充填した
後、犠牲材料が穴１４及び２０の中にのみ残るように任
意の適切な方法で犠牲層２４を元通りに同一平面化す
る。適切な犠牲材料には、ポリイミド、パラリエン（pa
ralyene）、窒化物、または酸化物などの材料だけでな
く、ある種の金属及び多結晶材料も含まれる。材料の必
要条件は、選定された犠牲材料がウェット槽内できれい
に除去されなければならないと同時に、シリコン基板ま
たはその中に形成された超小型構造（たとえば固定子、
回転子、ハブ）がエッチングされてはならないというこ
とである。図１には図示されていないが、当業者なら、
回転子１８の方に向いていない各固定子構造１６の３つ
の面を、固い取り外し不能絶縁層を介して基板１２から
離隔することができることがわかるであろう。この絶縁
層は、穴の残り部分を充填する犠牲材料とは異なる材料
を含むことになることは明らかである。
【００１４】次に、基板１２の下面が最上部になるよう
に基板１２を裏返し、図１〜図３の処理を繰り返す。具
体的には、基板１２の上面１７に第２のマスク２６を形
成し、第１の穴２８と第２の穴３０によってパターン形
成する。これらの穴は、基板１２上にすでに形成されて
いる上面１５と交わる穴または溝と位置合わせされるよ
うに配置する。赤外線を使用して、第２のマスクの穴
を、基板１２内にすでに形成済みの穴と位置合わせする
ことができる。この第２のエッチング操作の場合は充填
された穴がエッチ・ストップの役割を果たすため、面１
７から基板１２内への穴のエッチングは非時限式に進め
ることができる。次に、面１７と交わる穴に、面１５と
交わる穴の充填に使用したもののような犠牲材料を充填
する。その結果、充填されたスルーホールまたは穴１
４'及び２０'が、基板またはウエハの主平面１５と１７
の間に延びることになる。これらの穴内に付着させた犠
牲材料は、回転子、ハブ、及び固定子構造を固定した位
置関係に保持することに留意されたい。この材料をこの
時点で除去したとすれば、ハブと回転子が基板から分離
されることになる。構築する機械に合わせて、穴１４'
及び２０'内で取り外し不能絶縁材料を選択的に使用す
ることができることにも留意されたい。
【００１５】図６を参照すると、同じマイクロマシン層
１０'を製作し、次に、選択された配列で積層してスタ
ック構造４０を形成する。本明細書では、「スタック」
とは、各層の少なくとも１つの主平面が隣接する層の主
平面に積層されているモノリシック構造を含む。この実
施例では、スタック内の各マイクロマシン層を通る穴１
４'及び２０'が整列するようになっている配列である。
基板またはチップのスタッキングは現在当技術分野で周
知である。たとえば、共通譲渡された米国特許第５２０
２７５４号、第５２７０２６１号、及び第５４２６５６
６号を参照されたい。
【００１６】積み重ね時に、様々な手法を使用して層１
０'を積層することができる。たとえば、各層の外縁部
上のみで接着材を使用することもできる。接着加工によ
って、超小型構造（たとえばハブ、回転子、固定子構
造）が接触するのを妨げる厚みが生じる場合は、加工時
に追加のマスクを使用して各層の外縁部を接着材を受け
入れるのに十分な量だけへこませることもできる。ある
いは、各基板内に穴を形成する前に各基板の主平面上に
チタニウムまたはタングステンなどの層を形成し、穴が
形成されたらチタニウム層またはタングステン層が穴に
自己整列するようにし、後でスタック構造内にマイクロ
マシン層を配置するときに使用できるようにすることも
可能である。チタニウム層またはタングステン層をスタ
ック内に配置した状態で、熱処理を行うとスタック内の
様々な層の整列した超小型構造間の電気ボンディングま
たは機械ボンディングが強化される。
【００１７】図７及び図８に、本発明によって完成した
機械７０を図示する。機械７０は図６のスタック構造４
０を使用し、図のように、機械の端部層としてエンドキ
ャップ・マイクロマシン層５０を使用する。エンドキャ
ップ層５０は、スタックの各端部に配置され、機械内の
可動部材を所定位置に保持する機能を果たす。このよう
なキャップ構造がないと、層１０'内の穴から犠牲材料
を除去すると同時に、回転子構造とハブ構造がスタック
の残りの部分から簡単に離れることになる。当業者な
ら、キャップ５０は上記でマイクロマシン層１０'に関
して述べたのと同一または同様の工程によって製作する
ことができるが、使用するマスクは明らかに異なること
に気づくであろう。
【００１８】エンドキャップ層５０は、マイクロマシン
層１０'の積み重ねられた固定子超小型構造に電気的に
接続する構造５４を、電気的に絶縁するための窒化物な
どの硬質絶縁材５６を含む。回転子の領域内の隣接する
マイクロマシン層１０'とエンドキャップ・マイクロマ
シン層５０との間にギャップ６０を設けて、回転子がエ
ンドキャップ層と接触することなく自由に回転すること
ができるようにする。この実施例では、固定されたハブ
構造５８を、ハブ構造が隣接するマイクロマシン層１
０'に接触するように配置する。しかし、ハブ構造はマ
イクロマシン層内の回転子構造に接続することも接続し
ないことも可能であることに留意されたい。ハブ構造を
回転子に接続した場合、エンドキャップ層５０の構成は
明らかに異なることになる。たとえば、ハブが機械の外
部の機構を駆動する必要がある場合は、ハブを回転子構
造に接続しなければならず、エンドキャップ層は外部シ
ャフトを駆動するように設計することになる。
【００１９】図８は、様々な層から犠牲材料を除去する
ために腐食液に浸漬した後の図７の構造である。犠牲材
料との連絡及び犠牲材料のエッチングは、エンドキャッ
プ層５０内のアクセス穴（図示せず）を通して行われる
ことになる。最終パッケージ化の前に、固定子構造に電
気信号線を接続する。既存のＶＬＳＩ技法を使用して、
本明細書で提示している基本静電モータに強化機構（図
示せず）を設けることもできる。たとえば、ブッシン
グ、軸受、マイクロ潤滑剤、タイミング素子などを付加
することができる。
【００２０】本明細書では静電機械、特に静電モータを
参照しながら説明したが、当業者なら、提示されている
概念が１つまたは複数の可動部材を有する多種多様な機
械の製作に等しく適用可能であることがわかるであろ
う。たとえば、静電機械において、回転部材を含む層を
接続せず、異なる速度で回転するように異なる薄さにす
ることができ、所望であれば異なる方向に回転するよう
に制御することさえもできる。これは２つの回転子セグ
メントが、固定子構造に積層スタックの各端部で別々に
接触し、中央付近で分離するようにすれば、実現するこ
とができる。さらに、少なくとも１つの固定子構造を速
度センサとして使用すれば、フィードバックを使用して
回転子構造の速度を制御することができる。たとえば、
回転速度を回転子内にエッチングされた溝と関連させる
ことができる。
【００２１】概念的には、本発明は、一連のマスクを使
用して基板上またはウエハ上に層またはスライスを画定
し、後で選択された配列で組み立ててスタックを形成
し、それによって機械を形成する。スタックが形成され
るまで、犠牲層によって層内に可動部材を一時的に保持
する。機械をスタックとして製作することによって、マ
イクロメータからミリメータ、センチメータまでの寸法
の機械を実現することができる。本質的には、提示され
ている概念によってマクロ（センチメータ）の大きさの
機械とミクロの大きさの機械の間の既存の間隙を埋める
大きさの機械を製作することができる。
【００２２】さらに、本明細書で提示されている技法を
使用して、多様な機械を構築することができる。たとえ
ば、スタックの個々の層がそれぞれ異なるマイクロマシ
ン構造を含むことができる。または、同じ構造を含む場
合には、それらの構造を異なる大きさまたは形状あるい
はその両方とすることができる。たとえば、本明細書で
提示されている層化手法を使用して、西洋なし形の回転
子を放射状に構想し、構築することができる。本明細書
の基本概念を用いて行えることにはほとんど制限がな
い。
【００２３】以上、本明細書では本発明について本発明
の特定の好ましい実施例に従って詳細に説明したが、当
業者なら本発明に多くの修正及び変更を加えることがで
きる。したがって、特許請求の範囲によってそのような
修正及び変更はすべて本発明の真の精神及び範囲に含ま
れるものと意図される。
【００２４】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００２５】（１）互いに積層された複数の層のスタッ
ク構造を含む機械であって、前記スタック構造が前記複
数の層のうちの少なくとも１つの層の超小型構造から画
定された可動部材を含む機械。 （２）前記可動部材を画定する前記超小型構造を含む前
記少なくとも１つの層が、前記複数の層の多重層を含
み、前記多重層の各層がマイクロマシン層を含み、前記
マイクロマシン層が前記可動部材を画定するようにして
前記スタック構造内に隣接して配置されていることを特
徴とする、上記（１）に記載の機械。 （３）前記複数の層のうちの少なくともいくつかの層が
同じであることを特徴とする、上記（１）に記載の機
械。 （４）前記複数の層のうちの少なくともいくつかの層が
異なることを特徴とする、上記（１）に記載の機械。 （５）前記複数の層の各層が少なくとも部分的に、固定
構造を含むことを特徴とする、上記（１）に記載の機
械。 （６）前記複数の層の各層がシリコン基板を含むことを
特徴とする、上記（１）に記載の機械。 （７）スタックの形に相互に積層された複数の層を含む
モノリシック構造を含む静電機械であって、前記モノリ
シック構造が、固定子構造と、可動部材が前記複数の層
のうちの１つの層を含む少なくとも１つのマイクロマシ
ン層の超小型構造から画定され、固定子構造を基準にし
て動くように配置された前記可動部材とを有する静電機
械。 （８）前記固定子構造と前記可動部材がそれぞれ多重マ
イクロマシン層の超小型構造から画定され、各マイクロ
マシン層が前記複数の層のうちの１つの層を含むことを
特徴とする、上記（７）に記載の静電機械。 （９）前記複数の層が２つのエンドキャップ層を含み、
各エンドキャップ層が前記モノリシック構造の異なる端
部に配置され、前記エンドキャップ層が前記可動部材を
前記モノリシック構造内に保持するように構成されてい
ることを特徴とする、上記（７）に記載の静電機械。 （１０）前記静電機械が静電モータを含み、前記可動部
材が回転子を含むことを特徴とする、上記（９）に記載
の静電機械。 （１１）前記２つのエンドキャップ層のうちの少なくと
も１つのエンドキャップ層が前記固定子構造との電気接
点を含むことを特徴とする、上記（１０）に記載の静電
機械。 （１２）前記モノリシック構造が前記回転子がそれを中
心に回転するハブをさらに含むことを特徴とする、上記
（１０）に記載の静電機械。 （１３）前記モノリシック構造が前記回転子と共に回転
するように前記回転子に接続されたハブをさらに含み、
前記２つのエンドキャップ層のうちの少なくとも１つの
エンドキャップ層が、前記ハブと共に回転し、静電機械
の外部の構造を駆動するように前記ハブに接続された、
可動構造を含むことを特徴とする、上記（１０）に記載
の静電機械。 （１４）前記可動部材が、前記複数の層のうちの層を含
む少なくとも２つのマイクロマシン層の超小型構造から
画定され、前記少なくとも２つのマイクロマシン層の前
記超小型構造が接続されていないことを特徴とする、上
記（７）に記載の静電機械。 （１５）前記複数の層のうちの少なくともいくつかの層
がそれぞれシリコン基板を含むことを特徴とする、上記
（７）に記載の静電機械。 （１６）（ａ）複数の基板を設けるステップと、（ｂ）
少なくとも１つの基板内に、前記少なくとも１つの基板
内で構造を画定する、少なくとも１つの穴を形成するス
テップと、（ｃ）前記少なくとも１つの穴によって画定
され分離されている選択された構造を互いに一時的に固
定するように、前記少なくとも１つの基板内の前記少な
くとも１つの穴の少なくとも一部に犠牲材料を充填する
ステップと、（ｄ）前記複数の基板を選択された配列で
積み重ねてスタック構造を形成するステップと、（ｅ）
前記少なくとも１つの穴から前記犠牲材料を除去して、
前記少なくとも１つの穴によって前記少なくとも１つの
基板内に画定されている前記構造が前記スタック構造内
に可動部材を形成し、それによって前記機械を形成する
ようにするステップとを含む、機械の製作方法。 （１７）前記形成ステップ（ｂ）が、前記複数の基板を
前記選択された配列で積み重ねたとき、前記多重基板内
に画定された構造が共に前記スタック構造内に前記可動
部材を画定するように、前記ステップ（ａ）で設けられ
た前記複数の基板のうちの多重基板内に前記少なくとも
１つの穴を形成するステップを含むことを特徴とする、
上記（１６）に記載の方法。 （１８）前記ステップ（ｂ）でその中に形成された前記
少なくとも１つの穴を有する前記多重基板の各基板が、
可動超小型構造を有するマイクロマシン層を有し、前記
ステップ（ｅ）で前記犠牲材料を除去した後で前記多重
マイクロマシン層の前記可動超小型構造が前記可動部材
を形成することを特徴とする、上記（１７）に記載の方
法。 （１９）前記複数の基板がシリコン基板を含み、前記積
み重ねステップ（ｄ）が前記複数の基板を前記選択され
た配列で互いに積層して前記スタック構造を形成するス
テップを含み、前記積層形成ステップが、前記複数の基
板の隣接し合う基板間にタングステンまたはチタニウム
の層を形成するステップと、前記スタック構造を熱処理
して前記隣接し合う基板を前記タングステンまたはチタ
ニウムの層を介して互いにボンディングするステップと
を含むことを特徴とする、上記（１８）に記載の方法。 （２０）前記ステップ（ｂ）でその中に形成された前記
少なくとも１つの穴を有する前記多重基板がそれぞれシ
リコン基板を含み、前記ステップ（ｃ）の前記犠牲材料
がポリイミド、パラリエン、窒化物、及び酸化物のうち
の１つを含むことを特徴とする、上記（１７）に記載の
方法。 （２１）（ａ）少なくとも２つの基板のそれぞれに、前
記少なくとも２つの基板を選択された配列で積み重ねた
ときに前記少なくとも２つの基板内に機械を形成する超
小型構造を画定する、少なくとも１つの穴を形成するス
テップと、（ｂ）前記少なくとも２つの基板内の前記少
なくとも１つの穴の少なくとも一部に犠牲材料を充填し
て、前記穴によって分離されている選択された超小型構
造を互いに一時的に固定するようにするステップと、
（ｃ）前記少なくとも２つの基板を前記選択された配列
で互いに積み重ね、それによってスタックを形成するス
テップと、（ｄ）前記少なくとも２つの基板の各基板内
の前記少なくとも１つの穴から前記犠牲材料を除去する
ステップとを含み、前記少なくとも２つの基板の積み重
ねられた超小型構造によって前記スタック内に可動部材
が画定され、それによって前記機械が形成される、機械
の製作方法。 （２２）前記機械が静電機械を含み、前記形成ステップ
（ａ）及び前記積み重ねステップ（ｃ）の結果、前記少
なくとも２つの基板の積み重ねられた超小型構造が固定
子構造を画定することを特徴とする、上記（２１）に記
載の方法。 （２３）前記静電機械が静電モータを含み、前記可動部
材が回転子を含み、前記方法が、前記回転子を前記スタ
ック内に保持するために、前記ステップ（ｃ）で形成さ
れた前記スタックの各端部にエンドキャップ基板を積層
するステップをさらに含むことを特徴とする、上記（２
２）に記載の方法。 （２４）前記少なくとも２つの基板がシリコン基板を含
み、前記形成ステップ（ａ）が前記少なくとも２つの基
板内に前記穴をウェット・エッチングするステップを含
むことを特徴とする、上記（２１）に記載の方法。 （２５）前記充填ステップ（ｂ）が前記少なくとも２つ
のシリコン基板内の少なくともいくつかの穴に、ポリイ
ミド、パラリエン、窒化物、及び酸化物のうちの１つを
含む犠牲材料を充填するステップを含むことを特徴とす
る、上記（２４）に記載の方法。 （２６）前記積み重ねステップ（ｃ）が、前記少なくと
も２つの基板を前記選択された配列で積層するステップ
を含み、前記積層ステップが前記少なくとも２つの基板
間にタングステンまたはチタニウムの層を形成するステ
ップと前記スタックを熱処理して前記タングステンまた
はチタニウムの層を介して前記少なくとも２つの基板を
互いにボンディングするステップとを含むことを特徴と
する、上記（２５）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により製作した静電マイクロマシン層の
平面図である。
【図２】線Ａ−Ａに沿って切り取った図１のマイクロマ
シン層の断面図である。
【図３】画定された穴に犠牲材料を付着させ、同一平面
化した後の図２のマイクロマシン層の断面図である。
【図４】反転し、マイクロマシン層にすでに形成されて
いる穴に穴を位置合わせしてパターン・マスクを配置し
た、図３のマイクロマシン層の断面図である。
【図５】パターン形成面内に穴を形成し、それらの穴に
犠牲材料を充填した後の図４のマイクロマシン層の断面
図である。
【図６】各層が図５の構造を含む、複数のマイクロマシ
ン層の積層から形成されたスタックの部分断面図であ
る。
【図７】犠牲材料が入った状態のままの、本発明により
図６から製作された機械の部分断面図である。
【図８】機械が複数のマイクロマシン層によって画定さ
れた可動部材を含むようにして、犠牲材料を除去した後
の、図７の機械の部分断面図である。
【符号の説明】
１０ マイクロマシン層 １２ 基板 １３ マスク １４ 穴 １５ 主平面（上面） １６ 固定子構造 １７ 主平面（上面） １８ 回転子構造 ２０ 穴 ２２ ハブ ２４ 犠牲層 ２８ 穴 ３０ 穴 ４０ スタック構造 ５０ エンドキャップ層 ５６ 絶縁材 ５８ ハブ構造 ６０ ギャップ ７０ 機械
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エドワード・クローニン アメリカ合衆国05468 バーモント州ミル トン アール・ディー ナンバー３ ボッ クス3254

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】互いに積層された複数の層のスタック構造
    を含む機械であって、前記スタック構造が前記複数の層
    のうちの少なくとも１つの層の超小型構造から画定され
    た可動部材を含む機械。
  2. 【請求項２】前記可動部材を画定する前記超小型構造を
    含む前記少なくとも１つの層が、前記複数の層の多重層
    を含み、前記多重層の各層がマイクロマシン層を含み、
    前記マイクロマシン層が前記可動部材を画定するように
    して前記スタック構造内に隣接して配置されていること
    を特徴とする、請求項１に記載の機械。
  3. 【請求項３】前記複数の層のうちの少なくともいくつか
    の層が同じであることを特徴とする、請求項１に記載の
    機械。
  4. 【請求項４】前記複数の層のうちの少なくともいくつか
    の層が異なることを特徴とする、請求項１に記載の機
    械。
  5. 【請求項５】前記複数の層の各層が少なくとも部分的
    に、固定構造を含むことを特徴とする、請求項１に記載
    の機械。
  6. 【請求項６】前記複数の層の各層がシリコン基板を含む
    ことを特徴とする、請求項１に記載の機械。
  7. 【請求項７】スタックの形に相互に積層された複数の層
    を含むモノリシック構造を含む静電機械であって、前記
    モノリシック構造が、 固定子構造と、 可動部材が前記複数の層のうちの１つの層を含む少なく
    とも１つのマイクロマシン層の超小型構造から画定さ
    れ、固定子構造を基準にして動くように配置された前記
    可動部材とを有する静電機械。
  8. 【請求項８】前記固定子構造と前記可動部材がそれぞれ
    多重マイクロマシン層の超小型構造から画定され、各マ
    イクロマシン層が前記複数の層のうちの１つの層を含む
    ことを特徴とする、請求項７に記載の静電機械。
  9. 【請求項９】前記複数の層が２つのエンドキャップ層を
    含み、各エンドキャップ層が前記モノリシック構造の異
    なる端部に配置され、前記エンドキャップ層が前記可動
    部材を前記モノリシック構造内に保持するように構成さ
    れていることを特徴とする、請求項７に記載の静電機
    械。
  10. 【請求項１０】前記静電機械が静電モータを含み、前記
    可動部材が回転子を含むことを特徴とする、請求項９に
    記載の静電機械。
  11. 【請求項１１】前記２つのエンドキャップ層のうちの少
    なくとも１つのエンドキャップ層が前記固定子構造との
    電気接点を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の
    静電機械。
  12. 【請求項１２】前記モノリシック構造が前記回転子がそ
    れを中心に回転するハブをさらに含むことを特徴とす
    る、請求項１０に記載の静電機械。
  13. 【請求項１３】前記モノリシック構造が前記回転子と共
    に回転するように前記回転子に接続されたハブをさらに
    含み、前記２つのエンドキャップ層のうちの少なくとも
    １つのエンドキャップ層が、前記ハブと共に回転し、静
    電機械の外部の構造を駆動するように前記ハブに接続さ
    れた、可動構造を含むことを特徴とする、請求項１０に
    記載の静電機械。
  14. 【請求項１４】前記可動部材が、前記複数の層のうちの
    層を含む少なくとも２つのマイクロマシン層の超小型構
    造から画定され、前記少なくとも２つのマイクロマシン
    層の前記超小型構造が接続されていないことを特徴とす
    る、請求項７に記載の静電機械。
  15. 【請求項１５】前記複数の層のうちの少なくともいくつ
    かの層がそれぞれシリコン基板を含むことを特徴とす
    る、請求項７に記載の静電機械。
  16. 【請求項１６】（ａ）複数の基板を設けるステップと、 （ｂ）少なくとも１つの基板内に、前記少なくとも１つ
    の基板内で構造を画定する、少なくとも１つの穴を形成
    するステップと、 （ｃ）前記少なくとも１つの穴によって画定され分離さ
    れている選択された構造を互いに一時的に固定するよう
    に、前記少なくとも１つの基板内の前記少なくとも１つ
    の穴の少なくとも一部に犠牲材料を充填するステップ
    と、 （ｄ）前記複数の基板を選択された配列で積み重ねてス
    タック構造を形成するステップと、 （ｅ）前記少なくとも１つの穴から前記犠牲材料を除去
    して、前記少なくとも１つの穴によって前記少なくとも
    １つの基板内に画定されている前記構造が前記スタック
    構造内に可動部材を形成し、それによって前記機械を形
    成するようにするステップとを含む、機械の製作方法。
  17. 【請求項１７】前記形成ステップ（ｂ）が、前記複数の
    基板を前記選択された配列で積み重ねたとき、前記多重
    基板内に画定された構造が共に前記スタック構造内に前
    記可動部材を画定するように、前記ステップ（ａ）で設
    けられた前記複数の基板のうちの多重基板内に前記少な
    くとも１つの穴を形成するステップを含むことを特徴と
    する、請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記ステップ（ｂ）でその中に形成され
    た前記少なくとも１つの穴を有する前記多重基板の各基
    板が、可動超小型構造を有するマイクロマシン層を有
    し、前記ステップ（ｅ）で前記犠牲材料を除去した後で
    前記多重マイクロマシン層の前記可動超小型構造が前記
    可動部材を形成することを特徴とする、請求項１７に記
    載の方法。
  19. 【請求項１９】前記複数の基板がシリコン基板を含み、
    前記積み重ねステップ（ｄ）が前記複数の基板を前記選
    択された配列で互いに積層して前記スタック構造を形成
    するステップを含み、前記積層形成ステップが、前記複
    数の基板の隣接し合う基板間にタングステンまたはチタ
    ニウムの層を形成するステップと、前記スタック構造を
    熱処理して前記隣接し合う基板を前記タングステンまた
    はチタニウムの層を介して互いにボンディングするステ
    ップとを含むことを特徴とする、請求項１８に記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】前記ステップ（ｂ）でその中に形成され
    た前記少なくとも１つの穴を有する前記多重基板がそれ
    ぞれシリコン基板を含み、前記ステップ（ｃ）の前記犠
    牲材料がポリイミド、パラリエン、窒化物、及び酸化物
    のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１７に記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】（ａ）少なくとも２つの基板のそれぞれ
    に、前記少なくとも２つの基板を選択された配列で積み
    重ねたときに前記少なくとも２つの基板内に機械を形成
    する超小型構造を画定する、少なくとも１つの穴を形成
    するステップと、 （ｂ）前記少なくとも２つの基板内の前記少なくとも１
    つの穴の少なくとも一部に犠牲材料を充填して、前記穴
    によって分離されている選択された超小型構造を互いに
    一時的に固定するようにするステップと、 （ｃ）前記少なくとも２つの基板を前記選択された配列
    で互いに積み重ね、それによってスタックを形成するス
    テップと、 （ｄ）前記少なくとも２つの基板の各基板内の前記少な
    くとも１つの穴から前記犠牲材料を除去するステップと
    を含み、前記少なくとも２つの基板の積み重ねられた超
    小型構造によって前記スタック内に可動部材が画定さ
    れ、それによって前記機械が形成される、機械の製作方
    法。
  22. 【請求項２２】前記機械が静電機械を含み、前記形成ス
    テップ（ａ）及び前記積み重ねステップ（ｃ）の結果、
    前記少なくとも２つの基板の積み重ねられた超小型構造
    が固定子構造を画定することを特徴とする、請求項２１
    に記載の方法。
  23. 【請求項２３】前記静電機械が静電モータを含み、前記
    可動部材が回転子を含み、前記方法が、前記回転子を前
    記スタック内に保持するために、前記ステップ（ｃ）で
    形成された前記スタックの各端部にエンドキャップ基板
    を積層するステップをさらに含むことを特徴とする、請
    求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】前記少なくとも２つの基板がシリコン基
    板を含み、前記形成ステップ（ａ）が前記少なくとも２
    つの基板内に前記穴をウェット・エッチングするステッ
    プを含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
  25. 【請求項２５】前記充填ステップ（ｂ）が前記少なくと
    も２つのシリコン基板内の少なくともいくつかの穴に、
    ポリイミド、パラリエン、窒化物、及び酸化物のうちの
    １つを含む犠牲材料を充填するステップを含むことを特
    徴とする、請求項２４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】前記積み重ねステップ（ｃ）が、前記少
    なくとも２つの基板を前記選択された配列で積層するス
    テップを含み、前記積層ステップが前記少なくとも２つ
    の基板間にタングステンまたはチタニウムの層を形成す
    るステップと前記スタックを熱処理して前記タングステ
    ンまたはチタニウムの層を介して前記少なくとも２つの
    基板を互いにボンディングするステップとを含むことを
    特徴とする、請求項２５に記載の方法。
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